En nyckelfråga för nästa generations fusionsreaktorer är den möjliga effekten av många instabila Alfvén-egenmoder, vågliknande störningar som produceras av fusionsreaktionerna som krusar genom plasman i munkformade fusionsanläggningar som kallas "tokamaks". Deuterium och tritiumbränsle reagerar vid uppvärmning till temperaturer nära 100 miljoner grader Celsius, producerar högenergi heliumjoner som kallas alfapartiklar som värmer plasman och upprätthåller fusionsreaktionerna.

Dessa alfapartiklar är ännu varmare än bränslet och har så mycket energi att de kan driva Alfvén egenmoder som gör att partiklarna kan fly från reaktionskammaren innan de kan värma plasma. Att förstå dessa vågor och hur de hjälper alfapartiklar att fly är ett viktigt forskningsämne inom fusionsvetenskap.

Om bara en eller två av dessa vågor exciteras i reaktionskammaren, effekten på alfapartiklarna och deras förmåga att värma upp bränslet är begränsad. Dock, teoretiker har förutspått en tid att om många av dessa vågor är upphetsade, de kan tillsammans slänga ut många alfapartiklar, riskerar reaktorkammarens väggar och effektiv uppvärmning av bränslet.

Nyligen genomförda experiment på DIII-D National Fusion Facility, som General Atomics driver för US Department of Energy (DOE) i San Diego, har avslöjat bevis som bekräftar dessa teoretiska förutsägelser. Förluster på upp till 40 procent av högenergipartiklar observeras i experiment när många Alfvén-vågor exciteras av deuteriumstrålejoner som används för att simulera alfapartiklar och strånejoner med högre energi i en fusionsreaktor som ITER, som nu är under uppbyggnad i södra Frankrike.

I kölvattnet av denna forskning, fysiker vid DOE:s Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) tog fram en kvantitativt noggrann modell av effekterna av dessa Alfvénvågor på deuteriumstrålar med hög energi i DIII-D tokamak. De använde simuleringskoder som kallas NOVA och ORBIT för att förutsäga vilka Alfvénvågor som skulle bli upphetsade och deras effekt på inneslutningen av högenergipartiklarna.

Forskarna bekräftade NOVA-modelleringsförutsägelsen att över 10 instabila Alfvén-vågor kan exciteras av deuteriumstrålarna i DIII-D-experimentet. Vidare, i kvantitativ överensstämmelse med de experimentella resultaten, modelleringen förutspådde att upp till 40 procent av de energiska partiklarna skulle gå förlorade. Modelleringen visades för första gången, i denna typ av högpresterande plasma, att kvantitativt noggranna förutsägelser kan göras för effekten av flera Alfvén-vågor på inneslutning av energiska partiklar i DIII-D tokamak.

"Vårt team bekräftade att vi kvantitativt kan förutsäga förhållandena där fusionsalfa-partiklarna kan gå förlorade från plasma baserat på resultaten från modelleringen av DIII-D-experimenten", säger Gerrit Kramer, en forskningsfysiker från PPPL och huvudförfattare till ett papper som beskriver modelleringsresultaten i majnumret av tidskriften Kärnfusion .

De gemensamma fynden markerade ett potentiellt stort framsteg i förståelsen av processen. "Dessa resultat visar att vi nu har en stark förståelse för de enskilda vågorna som upphetsas av de energiska partiklarna och hur dessa vågor samverkar för att fördriva energiska partiklar från plasma, "sa fysikern Raffi Nazikian, chef för ITER och Tokamaks avdelning på PPPL och ledare för laboratoriets samarbete med DIII-D.

NOVA+ORBIT-modellen indikerade vidare att vissa plasmaförhållanden dramatiskt kan minska antalet Alfvén-vågor och därmed sänka energipartikelförlusterna. Sådana vågor och förlusterna de ger kan minimeras om den elektriska strömprofilen i mitten av plasman skulle kunna breddas, enligt analysen i den vetenskapliga artikeln.

Experiment för att testa dessa idéer för att minska förluster av energipartiklar kommer att genomföras i en följande forskningskampanj om DIII-D. "Nya uppgraderingar av DIII-D-anläggningen kommer att möjliggöra utforskning av förbättrade plasmaförhållanden, "Sade nazikian." Nya experiment föreslås för att komma åt förhållanden som teorin förutsäger för att minska energiska partikelförluster, med viktiga implikationer för den optimala designen av framtida reaktorer."